基于遙感與地理信息系統的石漠化發育區土地整治適宜性評價

馬能，黃義忠，尹紅梅

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

石漠化是指基巖大面積裸露于地表而呈現類似荒漠景觀的土地退化過程，其本質是喀斯特地區土地生態系統功能的退化。我國西南地區是全球最典型的熱帶—亞熱帶喀斯特地貌的代表，石漠化程度嚴重，導致當地經濟發展緩慢、人民生活水平下降、環境狀況惡化。該狀況已引起國家重視，并加大了石漠化治理力度[1-3]。長期以來，專家學者在石漠化研究方面取得了一系列成績，對喀斯特石漠化的成因、影響因子、危害及防治對策和各種治理模式等進行了深入研究[4-6]。

石漠化發育區土地整治是將土地整治工程措施與石漠化治理相結合，不僅能有效解決石漠化發育區域的生態環境問題，同時能通過提高耕地質量、增加有效耕地面積，提高農民收入，帶動農村經濟發展。云南省在西疇縣實施的石漠化發育區土地整治項目取得了顯著的成效。鑒于石漠化發育區域的土地整治工程剛剛起步，相關文獻還較少。司澤寬等[7]基于系數法、類比法等方法分析區域內新增耕地數量與質量的潛力，并以典型的石漠化地區貴州省金沙縣為例進行了實例分析；賈麗娟等[8]針對喀斯特地區提出3種灌溉排水工程方案；黃晶晶等[9-10]針對西南喀斯特山地采煤沉陷區——重慶松藻礦區，提出土地整治的關鍵技術在于土地整治規劃布局與工程設計。

石漠化發育區域的土地整治必須由政府牽頭，涉及土地、農田水利、道路等各項工程設施，投入巨大，成功選取實施區域是影響整治工程實效的關鍵。本文從喀斯特石漠化發育特點出發，針對性選取評價因子，并借助高分辨率衛星影像和地理信息系統(GIS)手段，探討石漠化發育區土地整治適宜性評價方法體系，以期為石漠化地區土地整治項目選址提供參考和依據。

1 研究方法

1.1 石漠化土地整治適宜性評價的特殊性與必要性

石漠化標志為基巖大面積裸露。根據喀斯特地貌發育規律，碳酸鹽巖層面被溶蝕，形成許多溶溝溶槽，溝間突起石芽，導致石漠化發育區域土地性質呈現土壤與巖石交替分布的特征，基巖裸露面積越大，植被覆蓋度越低。石漠化形成的過程實質是土地系統退化的過程，進程為林退、草毀→陡坡開墾→土壤沖刷→巖石裸露→石漠[11]，發展包括初期、中期、后期、末期4個階段。建立科學合理的石漠化土地整治適宜性評價體系，對快速有效選取適宜區域開展土地整治將起到事半功倍的效果，同時，評價成果對不同整治區域規劃設計具有指導借鑒意義。

在參考傳統土地適宜性評價因子的基礎上，根據土地石漠化特點，將基巖出露率、植被覆蓋度作為石漠化土地整治評價的重要參評因子，并探討其信息獲取的方法途徑。

1.2 土地平整工程及技術分析

參照聯合國糧農組織《土地評價綱要》(1976年)分類體系，本文評價標準采用土地適宜等分類體系，將石漠化土地(主要指耕地)整治適宜性評價可分為高度適宜、中度適宜、低度適宜、勉強適宜和不適宜5級(表1)。

表1 石漠化發育區土地整治適宜性評價標準

1.3 評價指標選取、權重確定及指標量化

結合石漠化的特點，選取的評價指標包含：土地利用現狀類型、耕作層厚度、土壤有機質含量、地形坡度、居民點分布、道路距離分布、基巖出露率、植被覆蓋度。將選定的評價因子構建指標層，進而對指標屬性進行歸類，得到評價指標的準則層，石漠化土地整治適宜性評價綜合指數為本次評價的目標層(圖1)。

圖1 石漠化發育區土地整治適宜性評價指標體系

結合自身評價指標與目標的特性，將層次分析法和傳統的土地整治適宜性評價相對重要性相結合，通過構建判斷矩陣并檢驗判斷矩陣的一致性來確定指標的權重。最終確定的石漠化土地整治適宜性評價指標量化標準及權重見表2。

1.4 評價模型建立

采取加權綜合指數法確定各單元單因素的綜合評價分值，模型運算如下：

式中：F表示各單元單因素獲得的綜合評價分值，Bi表示本文選取的第i個指標的分值，Wi表示第i個指標相應的權重，n≤8。

2 實證研究

2.1 研究區概況

選取云南省西疇縣興街鎮三光、拉孩、老街3個村委會境內的土地為研究區。研究區位于西疇縣西南部，屬典型的喀斯特丘陵地貌，山丘、洼地交錯分布，氣候屬南亞熱帶季風氣候，日照充足，氣候溫和，降水量大且集中，積溫條件好，有利于各種作物的生長發育。地質條件較穩定，一般不會發生崩塌、泥石流、滑坡等自然災害。研究區面積387.18 hm2，土地利用現狀見圖2。

表2 石漠化土地整治適宜性評價指標計分規則及權重

圖2 研究區土地利用現狀

2.2 基于GIS與遙感(RS)的評價指標信息獲取與處理

在評價指標體系構建中，植被覆蓋度與基巖出露率是2個關鍵因子。為獲取準確有效數據，采用遙感數據分析[12-13]。

2.2.1 遙感數據選取與預處理

本研究遙感數據來自西疇縣Landsat-8的TM遙感影像(2014年12月，分辨率30 m，全色波段band8分辨率為15 m)。數據預處理內容包括輻射定標、大氣校正、裁剪。預處理后研究區遙感影像如圖3所示。

圖3 研究區原始影像(2014年12月)

2.2.2 植被覆蓋度與基巖出露率信息獲取

基于ENVI平臺，利用Compute Statistics工具統計確定最大值和最小值，再利用波段計算器計算植被覆蓋度和基巖出露率。

2.3 評價指標量化賦值

結合確定的計分規則及權重，運用ArcGIS的空間分析等功能進行所有評價指標的分值量化，計算后，將要素數據轉換為矢量數據，結合表2中確定的各評價因素評分標準得到各評價因素得分。

利用GIS將以上所有單因子評價結果圖進行批量疊加，對其屬性進行處理與分析，結合表2獲得評價綜合分值。由于項目區的資料獲取困難，本次評價中排除有效土層厚度和土壤有機質含量2個因子。

通過項目所有評價單元的綜合分值制作研究區可建設區域綜合得分頻數分布圖(圖4)，根據綜合分值將石漠化發育區劃分為高度適宜土地整治、中度適宜土地整治和低度適宜土地整治3個級別(圖5)，制作研究區可建設區域石漠化土地整治適宜性評價結果(表3)。

經統計，研究區可建設面積共計387.18 hm2，其中：高度適宜土地整治面積266.25 hm2，占研究區可建設規模的68.8%；中度適宜土地整治面積120.02 hm2，占研究區可建設規模的31.0%；低度適宜土地整治面積0.91 hm2，僅占研究區可建設規模的0.2%。

圖4 研究區可建設區域適宜性綜合分值頻數分布

表3 研究區可建設區域石漠化土地整治適宜性評價結果

2.4 評價結果校核

后期實施西疇縣興街鎮三光等3個村土地整治(石漠化治理)項目，通過規劃設計野外踏勘，本次評價結果與設計分區面積吻合，重合率達86.7%，說明本評價方法具有較好的選址指導與實際應用價值。

圖5 研究區可建設區域石漠化土地整治適宜性評價結果

3 小結與討論

本研究從喀斯特石漠化發育特點出發，構建石漠化發育區土地整治適宜性評價標準，針對性選取評價因子，確定權重，對指標分值進行量化，借助高分辨率衛星影像獲取植被覆蓋度和基巖出露率2個關鍵因子信息，基于ArcGIS的空間分析功能實現評價，探討并建立了石漠化發育區土地整治適宜性評價方法體系。以云南省西疇縣研究區為例進行實證評價，經野外校核，評價準確率達86.7%，證明本評價方法在石漠化發育區土地整治項目選址上具有較好的指導意義，對項目規劃設計及實施有較強的借鑒意義。

受限于Landsat-8的TM遙感影像分辨率，本研究的解譯準確度及面積精確度有待提高，假以更高分辨率的高分衛星影像，評價結果將更有大幅度提高。此外，評價因子選取及指標量化也還存在不合理的地方，有待后期研究深入完善。